戚益军课题组揭示植物miRNA产生的核心工作机制

2020年12月7日，生命中心、清华大学生命科学学院植物生物学研究中心戚益军课题组在《自然-细胞生物学》（Nature Cell Biology）在线发表了题为“SERRATE通过相分离驱动拟南芥切割小体形成并促进miRNA加工”（Phase separation of SERRATE drives dicing body assembly and promotes miRNA processing in Arabidopsis）的研究论文。该研究发现对植物miRNA产生至关重要的切割小体（Dicing body）由其核心组分SERRATE（SE）蛋白通过液-液相分离驱动组装形成，miRNA在切割小体中产生后，可释放至小体外发挥功能。这些研究结果阐明了植物miRNA产生的核心工作机制。

miRNA通过调节基因表达，在植物生长发育、逆境响应等过程中发挥重要调控作用；阐明miRNA的产生和功能机制，对于揭示基因表达调控规律、开发改良作物农艺性状的新资源具有重要意义。植物miRNA由DCL1-SE-HYL1复合体切割其前体pri-miRNA产生。早期的研究表明DCL1、HYL1及SE共定位于细胞核中并形成2-4个直径为0.2-0.8 μm的切割小体。切割小体的形成机制及其在miRNA产生中的功能一直是有待阐明的重要问题。

生物大分子（蛋白质和RNA）能够在细胞内聚集形成点状结构。近年来，人们逐渐意识到这些点状结构并非生物大分子的固态沉淀，它们往往具有液态流动性，与周围环境有着密切的物质交流，因而也被称为无膜细胞器。大多数无膜细胞器由生物分子发生液-液相分离驱动形成。

在这项研究中，戚益军研究组首先发现切割小体具有液态的物理属性。通过对切割小体核心组分蛋白的表达纯化和鉴定，发现SE蛋白具有相分离形成液滴的能力，并且这一能力依赖于其N端的一段固有无序区段（IDR）。利用生化和遗传手段，发现SE的液-液相分离驱动了切割小体的形成，并且对高效切割加工pri-miRNA至关重要。进一步研究发现，切割小体是miRNA产生的场所；miRNA在切割小体中产生后，与HYL1结合，从切割小体中释放进而发挥功能。由此，该研究提出了切割小体的组装及作用机制模型：1）SE蛋白通过其N端固有无序区段产生的分子间弱相互作用力而聚集，并招募DCL1、HYL1及前体pri- miRNA，形成切割小体； 2）在切割小体中，由于局部浓度的提升，分子间碰撞几率增加，使得DCL1得以高效地切割加工pri-miRNA产生miRNA；3）随着切割过程造成pri-miRNA的消耗，HYL1与SE间的作用力减弱而被释放至切割小体外，由于HYL1具有结合miRNA的能力，向外迁移的HYL携带着miRNA共同转运，从而实现miRNA从切割小体的释放。

该研究阐明了miRNA产生的核心工作机制，并为液-液相分离的重要生物学意义提供了强有力的证据。该研究还首次发现了反应产物可以从相分离所形成的无膜细胞器中释放。SE除了参与miRNA加工，还参与基因转录、RNA可变剪接以及转座子沉默等过程；因此，液-液相分离很可能也在这些过程中发挥作用。

戚益军为该论文的通讯作者，博士生谢东奇、陈敏和牛锦荣为共同第一作者，助理研究员李艳博士、研究员方晓峰博士和研究员李丕龙博士及其学生王亮参与了部分工作。该研究由国家自然科学基金委、科技部重点研发计划和生命科学联合中心提供经费支持。